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Genebank genomics bridges the gap between the conservation of crop diversity and plant breeding
No full textPopulating a biodigital resource center for barley (Hordeum sp.) using historical records and genomic prediction [Kumulative Dissertation]
No full textPflanzengenetische Ressourcen enthalten die genetische Vielfalt, die in der Pflanzenzüchtung benötigt wird, um eine nachhaltige Pflanzenproduktion zu erreichen. Das Fehlen von Schätzungen der Merkmalsleistung schränkt jedoch die Selektion vielversprechender Kandidaten aus den Sammlungen von Genbanken ein. Diese Studie untersuchte mögliche Strategien zur Bestückung eines bio-digitalen Ressourcenzentrums für Gerste, indem historische Daten von Saatgut-Regenerationsversuchen ausgewertet wurden und genomische Vorhersagen auf der Grundlage historischer Informationen über Resistenzen gegen Gersten-Gelbmosaikviren getroffen wurden. Die entwickelte Blaupause ermöglichte die Nutzung eines großen Datensatzes und kann für andere Sammlungen angepasst werden, um die Nutzung pflanzengenetischer Ressourcen für die Verbesserung von Kulturpflanzen zu fördernPlant genetic resources contain the genetic diversity needed in plant breeding to achieve a sustainable crop production. However, the lack of trait performance estimates limits the selection of promising candidates of genebanks collections. This study explored potential strategies to populate a bio-digital resource center of barley by mining historical data of seed regeneration trials, and using genomic prediction based on historical information of plant responses against to Barley yellow mosaic viruses. The developed blueprint allowed to leverage a large data set, and could be adapted to other collections to promote the utilization plant genetic resources for crop improvement
Evaluating the benefits and limitations of multiple-trait breeding assisted by genomics in cereal crops
Full text linkMerkmale können aufgrund von überlappenden Quantitative Trait Locus (QTL)-Regionen genetisch korreliert sein. Mehrere überlappende QTL-Regionen für den Kornertrag und verschiedene Ertragskomponenten vom Brotweizen (Triticum aestivum L.) wurden durch multivariate Assoziationskartierung detektiert. Für die Mehrheit der überlappenden QTL-Regionen konnte Pleiotropie als genetische Ursache nicht ausgeschlossen werden. Die Unterscheidung zwischen Pleiotropie und enger Kopplung wird von niedrigen Allelfrequenzen und QTL-Größen und einem hohen Kopplungsungleichgewicht zwischen QTL limitiert. Multivariate Ansätze für die genomische Vorhersage der Anfälligkeit gegenüber der Ährenfusariose bei Hybridweizen sind genauer als univariate Modelle wenn der Verwandtschaftsgrad zwischen Trainings- und Validierungspopulationen geringer ist. Verschiedene Selektionsindizes erlauben die kombinierte Verbesserung vom Kornertrag und dem Proteingehalt vom Futterroggen (Secale cereale L.). Die Selektionsindizes können direkt durch die Anwendung von univariaten Modellen vorhergesagt werden.Traits can be genetically correlated because of co-located quantitative trait loci (QTL). A multiple-trait association mapping study in bread wheat (Triticum aestivum L.) revealed that several QTL for yield and its components co-locate. In most genomic regions with co-located QTL there was not enough statistical evidence to strongly rule out pleiotropy as the cause of co-location. Differentiating close-linkage from pleiotropy was limited by allele frequencies, small QTL sizes and high linkage disequilibrium between QTL. Multiple-trait genomic prediction of Fusarium head blight severity of hybrid wheat is more accurate than single-trait prediction when the relatedness between estimation and prediction sets decreases. Different selection indices allow the simultaneous improvement of grain yield and protein content of rye (Secale cerale L.) for feeding purposes. These indices can be directly predicted by single-trait genomic prediction
Activating ex situ genebank collections of wheat and barley for breeding and research
Full text linkWeizen und Gerste leisten einen wichtigen Beitrag zur Welternähung. Um die Ernährungssicherheit zu gewährleisten, müssen Kulturpflanzen an zukünftige Anforderungen angepasst werden. Die Nutzung genetische Ressourcen spielt dabei eine wichtige Rolle, jedoch erschwert die unzureichende Charakterisierung ganzer Genbanksammlungen die Erschließung der vorhandenen Biodiversität. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine Strategie entwickelt, um hochgradig nicht-orthogonale historische phänotypische Daten zu analysieren, die während 70 Jahren der Saatgutregeneration in einer ex situ Sammlung von Weizen und Gerste erfasst wurden. Die Bemühungen führten zu qualitativ hochwertigen, gebrauchsfertigen Beschreibungen für Blühzeitpunkt, Pflanzenhöhe und Tausendkorngewicht für insgesamt mehr als 25.600 Weizen- und Gerstenakzessionen. Die Publikation dieser Daten unter Implementierung der FAIR-Prinzipien fördert die Erweiterung erhaltungs-orientierter Genbanken hin zu bio-digitalen Ressourcenzentren.Wheat and barley make an important contribution to feed the world. To ensure food security, crops must be adapted to future requirements. The use of genetic resources plays an important role here, but the inadequate characterization of entire genebank collections makes it difficult to tap into the existing biodiversity. In the frame of this dissertation a strategy was developed to analyze highly non-orthogonal historical phenotypic data collected during 70 years of seed regeneration in an ex situ collection of wheat and barley. The efforts resulted in high quality, ready-to-use characterizations for flowering time, plant height and thousand grain weight for more than 25,600 wheat and barley accessions. The publication of these data, implementing the FAIR principles, promotes the extension of conservation-driven genebanks towards bio-digital resource centers
The use of genome-wide prediction to increase efficiency in plant breeding programs
Full text linkFollowing the establishment of genome-wide selection in plant breeding programs, the search for areas of application for this promising technology continues. Of particular interest is the use of genome-wide selection to improve populations across generations, for example in long-term breeding programs or in parental selection. This work provides user-based experimental assessments of the utility of genome-wide selection in parental selection in barley under usefulness criterion estimation, and in reciprocal recurrent genomic selection for long-term improvement of complementary populations for wheat hybrid breeding. Empirical evidence suggests that, despite promising performance in theoretical and simulation-based environments, both concepts evaluated here present challenges under application-oriented conditions.Nachdem sich die genomweite Selektion in Pflanzenzuchtprogrammen etabliert hat, geht die Suche nach Anwendungsbereichen für diese vielversprechende Technologie weiter. Von besonderem Interesse ist der Einsatz der genomweiten Selektion zur Verbesserung von Populationen über Generationen hinweg, z. B. in langfristigen Züchtungsprogrammen oder bei der Elternselektion. Die vorliegende Arbeit liefert anwenderbasierte experimentelle Bewertungen des Nutzens der genomweiten Selektion bei der Elternselektion von Gerste unter Schätzung des Usefulness Criterions und bei der reziproken rekurrenten genomischen Selektion zur langfristigen Verbesserung komplementärer Populationen für die Weizenhybridzucht. Empirische Belege deuten darauf hin, dass trotz vielversprechender Indikatoren in theoretischen und simulationsbasierten Umgebungen beide hier evaluierten Konzepte unter anwendungsorientierten Bedingungen noch große Herausforderungen darstellen
Identification and validation of seedling powdery mildew resistance genes
Full text linkEine der wichtigen Krankheiten der Gerste (Hordeum vulgare L.) ist Mehltau, welche durch den Pilz Blumeria graminis f. sp. hordei ausgelöst wird. In der vorliegenden Studie wurde eine genetisch diverse Gerstenpopulation mittels zweier Ansätze untersucht: (1) die Keimlingsresistenz gegenüber zwei poly-virulenten Mehltauisolaten und (2) die Resistenz der erwachsenen Pflanzen nach natürlicher Mehltauinfektion. Die nachfolgenden Analysen der resistenten Genotypen führten zur Identifizierung von zwei neuen vermutlich natürlichen mlo Mutanten, sowie der Bestätigung und der Postulierung von bekannten Resistenzgenen in bisher nicht charakterisiertem Material. Die genomweite Assoziationsstudie der Gerstenpopulation resultierte in der Identifizierung von 33 Kandidatengenen. Die funktionale Validierung der vier vielversprechendsten Kandidatengenen durch verschiedene in silico, in vitro and in planta Ansätze identifizierte im Besonderen zwei Kandidaten als potenzielle Suszeptibilitätsgene.Powdery mildew is an important foliar disease of barley (Hordeum vulgare L.) caused by the fungus Blumeria graminis f. sp. hordei (Bgh). In the present study, a natural diverse barley population was assessed using two approaches: (1) the seedling resistance responses against two poly-virulent Bgh isolates and (2) the adult plant resistance under natural occurring Bgh infection. The subsequent analyses of resistant genotypes led to the identification of two potential novel natural mlo mutants as well as the confirmation and postulation of known resistance genes in, so far, uncharacterized material. The genome-wide-association study in the diverse barley population resulted in the identification of 33 candidate genes distributed over six chromosomes. Functional validations of the four most promising candidate genes via in silico, in vitro and in planta approaches identified particularly two candidates as potential susceptibility genes
Haplotype-based association mapping complements SNP-based approaches as a powerful tool to analyze the genetic basis of complex traits : kumulative Dissertation
Full text linkDerzeit ist die auf einzelnen SNPs basierende genomweite Assoziationsstudie (GWAS) die am häufigsten verwendete Methode zur Untersuchung der genetischen Architektur komplexer Merkmale. Ein einziger SNP erklärt jedoch nur einen kleinen Teil der genetischen Variation. Aus diesem Grund haben wir eine auf funktionellen Haplotypen basierte GWAS (FH-basierte GWAS) entwickelt, die SNPs basierend auf additiven und epistatischen Effekten auswählt, um Haplotypen zu konstruieren. Um die Leistung der FH-basierten GWAS zu testen, wurden Simulationsstudien durchgeführt. Diese ergaben, dass die FH-basierte GWAS, bei einer höheren minoren Allelfrequenz und einem niedrigeren Kopplungsungleichgewicht zwischen den SNPs, die SNP-basierte GWAS übertraf. Außerdem wurde die FH-basierte GWAS für die Merkmale Blühzeitpunkt bei Arabidopsis, sowie Braunrost bei Weizen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die FH-basierte GWAS im Vergleich zum SNP-basierten Ansatz eine höhere statistische Testgüte bietet, sowie die Vorhersagefähigkeit und Genauigkeit von markergestützter Selektion verbessern kann. Folglich ist die FH-basierte GWAS ein wirkungsvoller Ansatz, um den Selektionsfortschritt in der Züchtung zu erhöhen.Currently, single SNP based genome-wide association mapping (GWAS) is the most commonly used method to study the genetic architecture of complex traits. However, a single SNP explains only a small proportion of the genetic variation. Therefore, we developed a functional haplotype-based GWAS (FH-based GWAS) that selects SNPs based on additive and epistatic effects to construct haplotypes. To test the performance of the FH-based GWAS, simulation studies were performed and showed that FH-based GWAS outperformed SNP-based GWAS at a higher minor allele frequency and lower linkage disequilibrium between the SNPs. Then, FH-based GWAS was performed in flowering time of Arabidopsis and leaf rust of wheat. The results show that FH-based GWAS offers a higher detection power compared to the SNP-based approach and can also improve the predictability and accuracy of marker assisted selection. Consequently, FH-based GWAS is a powerful approach to increase the selection gain in breeding
Genome-wide prediction of hybrid performance and yield stability analysis in winter wheat
Full text linkDie Züchtung von Hybridweizen gilt als vielversprechende Strategie um die Ertragsleistung und -stabilität von Sorten zu verbessern. Für die präzise Vorhersage dieser Merkmale ist die Erhebung von zuverlässigen phänotypischen Daten eine wichtige Voraussetzung. Die Berücksichtigung von Genotyp-Umwelt-Interaktionen kann dabei helfen, repräsentative Standorte für Feldversuche auszuwählen und so den Aufwand für die Erhebung der notwendigen Daten deutlich reduzieren, ohne die Datenqualität negativ zu beeinflussen. Als Alternative zur konventionellen phänotypischen Selektion, kann auch die Vorhersage der Hybridleistung mittels Genomischer Selektion oder durch Marker-gestützte Selektion erfolgen. In dieser Arbeit waren die Vorhersagen für sieben Qualitätsmerkmale, sowie für die Resistenz gegen Septoria tritici blotch und Fusarium Head Blight basierend auf der Genomischen Selektion den Vorhersagen mittels Marker-gestützter Selektion überlegen. Die Vorhersagegenauigkeit wird dabei durch die Verwandtschaft zwischen Trainings- und Testpopulation und durch die effektive Populationsgröße der Trainingspopulation stark beeinflusst.Hybrid wheat breeding is a promising approach to enhance yield stability and improve candidate performance. To achieve a precise estimation for yield stability performance, intensive phenotyping is required. Selecting representative environments based on genotype-by-environment interactions allows decreasing phenotyping intensity but still maintaining high accuracy to assess yield stability. For prediction of hybrid performance, marker-assisted selection and genomic selection are two promising alternatives to phenotypic selection. Genomic selection outperformed marker-assisted selection for seven quality traits and resistances to Septoria tritici blotch and Fusarium head blight. Prediction accuracy is strongly influenced by relatedness between the training and test population and increasing the effective population size of training population is relevant to boost the prediction accuracy via genomic selection.vorgelegt von Guozheng Li
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
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